开关电源 EMI 不同频段干扰原因及抑制办法

在现代电子设备中，开关电源因其高效、节能等优点得到广泛应用。然而，开关电源在工作过程中会产生电磁干扰(EMI)，影响自身及周边电子设备的正常运行。EMI 干扰按频段可分为不同类型，每种频段的干扰有着独特的产生原因，也需要针对性的抑制办法。

低频段(150kHz - 500kHz)干扰原因及抑制

干扰原因

开关管的导通与关断：在低频段，开关管的周期性导通和关断是主要干扰源。当开关管导通时，电流迅速上升，产生较大的 di/dt(电流变化率)，根据电磁感应定律，会在周围空间产生较强的磁场，进而引发电磁干扰。开关管关断时，电压迅速变化产生较大的 dv/dt(电压变化率)，同样会产生干扰。在反激式开关电源中，开关管导通时，变压器初级绕组电流快速上升，产生的磁场干扰会影响周边电路。

变压器的磁滞与涡流：低频段下，变压器的磁滞现象和绕组中的涡流也会导致干扰。变压器铁芯在交变磁场作用下，磁滞损耗会产生热量，同时也会辐射出低频电磁干扰。绕组中的涡流会使导线发热，并且产生额外的磁场，与开关管产生的干扰相互叠加，加剧低频段的 EMI 问题。

抑制办法

优化开关管驱动电路：通过调整开关管的驱动电阻，控制开关管的导通和关断速度，减小 di/dt 和 dv/dt。采用软开关技术，如零电压开关(ZVS)或零电流开关(ZCS)，使开关管在电压或电流为零的时刻导通或关断，降低开关过程中的能量损耗和电磁干扰。在一些高端开关电源中，采用 ZVS 技术，有效降低了低频段的 EMI 干扰，提高了电源效率。

变压器优化设计：选择高磁导率、低磁滞损耗的铁芯材料，如铁氧体磁芯，可减少磁滞损耗带来的干扰。优化变压器的绕组设计，采用多股绞合线或利兹线，降低涡流损耗。合理设计变压器的匝数比和绕组布局，减少漏感，降低磁场辐射。对变压器进行良好的屏蔽，使用金属屏蔽罩将变压器包裹，屏蔽罩接地，可有效抑制变压器产生的低频磁场干扰。

中频段(500kHz - 5MHz)干扰原因及抑制

干扰原因

寄生参数影响：在中频段，开关电源中的寄生电容和寄生电感对 EMI 干扰影响显著。开关管与散热片之间、变压器绕组之间以及电路板上的走线之间都存在寄生电容。当开关管工作时，寄生电容会产生充放电电流，形成高频干扰信号。寄生电感则会在电流变化时产生感应电动势，进一步加剧干扰。在一些多层电路板设计中，不同层之间的走线寄生电容可能导致中频段的串扰问题。

二极管的反向恢复：开关电源中的整流二极管在反向恢复过程中，会产生较大的反向恢复电流，其电流变化率大，会在中频段产生电磁干扰。快速恢复二极管虽然反向恢复时间较短，但在高频应用中，其反向恢复特性仍会对 EMI 产生影响。

抑制办法

寄生参数优化：通过优化电路板布局，减少寄生电容和寄生电感。增大开关管与散热片之间的距离，减小寄生电容。采用合理的布线方式，如缩短走线长度、避免平行走线等，降低寄生电感。在关键节点添加去耦电容，吸收寄生电容产生的高频干扰信号。在电路板的电源层和地层之间，合理分布去耦电容，可有效抑制中频段的干扰。

二极管选型与缓冲电路：选择反向恢复特性好的二极管，如肖特基二极管，其反向恢复时间极短，可减少反向恢复电流产生的干扰。在二极管两端并联缓冲电路，如 RC 吸收电路，利用电容的储能特性和电阻的耗能特性，抑制二极管反向恢复电流的突变，降低中频段的 EMI 干扰。在一些功率较小的开关电源中，采用肖特基二极管和 RC 吸收电路，有效改善了中频段的电磁干扰问题。

高频段(5MHz - 30MHz 及以上)干扰原因及抑制

干扰原因

开关电源的高频谐波：开关电源工作时，其开关动作会产生丰富的高频谐波，这些谐波频率可达几十 MHz 甚至更高。高频谐波通过电源线、空间辐射等途径传播，对周边电子设备造成干扰。在一些高频开关电源中，开关频率高达几十 MHz，其产生的高频谐波会影响附近的无线通信设备。

PCB 板的辐射：在高频段，印刷电路板(PCB)本身成为一个辐射源。PCB 上的走线、过孔等在高频信号作用下，会像天线一样向外辐射电磁波。尤其是当走线长度接近高频信号波长的四分之一时，会形成谐振，加剧辐射强度。在一些紧凑型开关电源中，由于 PCB 布局紧凑，走线较短，更容易在高频段产生辐射干扰。

抑制办法

滤波电路设计：在电源输入和输出端添加合适的滤波器，如 π 型滤波器、LC 滤波器等，可有效滤除高频谐波。滤波器的电感和电容参数要根据开关电源的工作频率和干扰频率进行合理选择。在一些对 EMI 要求严格的应用中，采用多级滤波电路，进一步提高滤波效果，降低高频段的干扰。

PCB 布局优化与屏蔽：优化 PCB 布局，减少高频走线的长度，避免出现过长的平行走线和直角走线。合理规划电源层和地层，增加地层的面积，提高电路板的屏蔽效果。对整个开关电源模块进行金属屏蔽，屏蔽罩良好接地，防止高频辐射干扰向外传播。在一些通信设备的开关电源设计中，通过优化 PCB 布局和添加屏蔽措施，有效抑制了高频段的辐射干扰，保障了通信设备的正常运行。

开关电源在不同频段产生的 EMI 干扰有着不同的原因，需要针对性地采取抑制办法。通过优化电路设计、合理选择元件、改进 PCB 布局以及采用有效的屏蔽和滤波措施，能够有效降低开关电源的 EMI 干扰，提高电子设备的电磁兼容性，确保其稳定可靠运行。在未来的开关电源设计中，随着电子技术的不断发展，对 EMI 抑制技术的研究也将不断深入，以满足日益严格的电磁环境要求。